CN101428256A - 一种喷嘴装置及应用该喷嘴装置的半导体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种喷嘴装置，其包括喷嘴进口部分和喷嘴出口部分，该喷嘴出口部分具有带有喷射孔的喷射面。其中，喷嘴出口部分与喷嘴进口部分连接为一体，并且喷嘴出口部分包括与喷嘴进口部分相连的腔体，用以容纳来自喷嘴进口部分的流体，并将该流体向喷射孔分配，由喷射孔将该流体向外喷射。本发明还提供了一种应用该喷嘴装置的半导体处理设备。本发明提供的喷嘴装置和半导体处理设备不仅便于拆装和密封，而且对外部部件的依赖性较小。同时，该喷嘴装置和半导体处理设备可以使进入反应腔室内的气体均匀地到达晶片等被加工/处理器件的表面，从而使被加工/处理器件表面的加工/处理速率均匀，进而可以获得良好的加工/处理结果。

Description

一种喷嘴装置及应用该喷嘴装置的半导体处理设备

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体而言，涉及一种用于喷射流体的喷嘴装置以及应用该喷嘴装置的半导体处理设备。

背景技术

随着电子技术的高速发展，人们对集成电路的集成度要求越来越高，这就要求生产集成电路的企业不断地提高半导体器件的加工/处理能力。目前，在半导体器件的加工/处理过程中广泛采用等离子体刻蚀技术。所谓等离子体刻蚀技术指的是，反应气体在射频功率的激发下产生电离形成含有大量电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子的等离子体，这些活性粒子与被刻蚀物体(例如，晶片)的表面发生各种物理和化学反应并形成挥发性的生成物，从而使得被刻蚀物体表面的性能发生变化。

等离子体刻蚀技术是依靠半导体刻蚀设备来实现的。通常，反应气体通过设置在半导体刻蚀设备的反应腔室上的喷嘴装置而进入到反应腔室，并在此受到射频功率的激发产生电离而形成等离子体。等离子体与被刻蚀物质表面产生物理和化学反应，并形成挥发性的反应生成物。该反应生成物脱离被刻蚀物质表面，并被真空系统抽出反应腔室。图1就示出了目前广泛采用的一种半导体刻蚀设备中的部分结构。

请参阅图1，半导体刻蚀设备包括反应腔室14，在反应腔室14的上方设置有石英盖12，在石英盖12的大致中心位置处设置有喷嘴装置安装孔11，安装于此的喷嘴装置用于将反应腔室14外部的反应气体喷射入反应腔室14内。

在反应腔室14内设置有静电卡盘17，在该静电卡盘17上设置有聚焦环18，晶片等半导体器件19就置于该聚焦环18上。其中，静电卡盘17吸附并固定晶片等半导体器件19，聚焦环18保护着下电极零部件，以防止其受到等离子体的轰击。

环绕反应腔室14的内壁设置有反应腔室内衬13，用以防止刻蚀生成物污染反应腔室14。在内衬13的底部设置有许多小孔，以供气体流动。

在反应腔室14一侧的靠下位置处设置有抽气腔室15，用于将上述反应生成物抽出反应腔室14。在该抽气腔室15的下表面设置有抽气腔室出气口16，上述反应生成物经此而被排出。

气体在半导体刻蚀设备内的流动过程为：首先，反应气体由喷嘴装置进入反应腔室14，并在此进行反应。反应后的生成物经过分布在内衬13上的小孔向下流动，而后进入抽气腔室15，并从抽气腔室15的出气口流出。内衬13上的这些小孔均匀地分布在静电卡盘17的周围，形成环形的小孔环带，其限制着气体在反应腔室14内的流动途径。

众所周知，刻蚀均匀性是刻蚀工艺中一个极其重要的指标。而与该指标密切相关的是反应气体进入反应腔室后的分布状况。如果腔室内的气体分布不均匀，则会导致在腔室内部的晶片等半导体器件表面上的刻蚀速率和刻蚀均匀性有较大的变化，这将影响最终的刻蚀效果。在实际应用中，影响反应气体进入反应腔室后的分布状况的一个重要因素就是安装在喷嘴装置安装孔11内的喷嘴装置的结构。

图2示出了目前常采用的一种气体喷嘴装置。在该喷嘴装置上部的侧面开设有喷嘴进气口，在喷嘴装置的下部设置有喇叭状的喷嘴出气口。在该喷嘴装置的大致中央部位设置有气体通道，该气体通道上接喷嘴进气口，下连喷嘴出气口。通常，气体从位于上部的喷嘴进气口进入，经由喷嘴内部的气体通道向下流动，并到达位于下部的喷嘴出气口，由该喷嘴出气口喷入到反应腔室内。由于图2所示喷嘴出气口的辐射面积较小，所以经其注入到反应腔室内的气体比较集中，大部分喷射在被刻蚀晶片的中央部分，而在被刻蚀晶片的边缘部分则分布得较少，这样使得气体分布很不均匀。

为了获得均匀的气体分布，人们不断地对喷嘴装置进行各种改进。例如，图3和图4就示出了改进的喷嘴装置。这两种喷嘴装置的主要思想都是通过在喷嘴出气口处设置发散状的辅助喷射孔而使气体更加分散地进入反应腔室，从而改善被刻蚀晶片表面的气体分布，以使其更均匀。

尽管相对于图2所示的结构而言，采用图3和图4所示的喷嘴结构可以使进入反应腔室内的气体相对均匀地分布在被刻蚀晶片表面，但是，由于这些喷嘴出气口部分的直径只有30mm左右，而目前被刻蚀晶片的尺寸通常为200mm，甚至可以达到300mm，这便使得相对于被刻蚀晶片的尺寸而言，喷嘴出气口部分的直径较小，因而单纯依靠前述发散状的辅助喷射孔来使晶片表面的气体均匀分布是非常困难的。特别是，目前随着晶片等半导体器件的尺寸从100mm增加到300mm，反应腔室的体积也相应地增大。这便使得在整个反应腔室内提供更加均匀的气体分布变得更加困难，从而也就影响了刻蚀速率等加工/处理速率的均匀性，进而影响刻蚀等加工/处理结果。

为此，现有技术中又提供了一种半导体处理设备中所使用的喷嘴装置。如图5所示，半导体处理设备包括反应腔室14，在反应腔室14内设置有静电卡盘17，被加工/处理的晶片等半导体器件(图未示)就置于该静电卡盘17上。在反应腔室14的上方设置有石英盖12，在石英盖12的大致中心位置处设置有喷嘴装置进气部分21。在该石英盖12和喷嘴装置进气部分21的下方设置有喷嘴装置出气部分22，该喷嘴装置出气部分22呈大致板状结构，并且在其上从中心到边缘设置若干喷射孔24。该喷嘴装置出气部分22与石英盖12密封，夹在二者之间的区域构成气体分配腔体23，气体分配腔体23内的气体只能通过喷射孔24而进入到反应腔室14内，而不会通过其他途径向外扩散。这样，该喷嘴装置包括喷嘴装置进气部分21和设置有喷射孔24的喷嘴装置出气部分22。

借助于上述喷嘴装置可以将欲进入反应腔室14的气体较为均匀地分配到反应腔室14内。具体地，欲进入反应腔室14的气体经细长的喷嘴装置进气部分21进入到气体分配腔体23，而后由设置在喷嘴装置出气部分22上的喷射孔24喷入反应腔室14。由于喷嘴装置出气部分22的面积较大，并且从其中心到边缘设置有若干喷射孔24，这样，经由这些喷射孔24而被喷入到反应腔室14内的气体便不会仅仅集中于反应腔室14的中心区域，而是可以较为均匀地分布在反应腔室14内。

尽管图5所示喷嘴装置可以相对均匀地向反应腔室内喷射气体，进而使被加工/处理的晶片等半导体器件表面上的反应气体分布得较为均匀，但是在实际使用中，其不可避免地存在下述缺陷：

其一，拆装不便。现有喷嘴装置的进气部分和出气部分为相互独立的分立部件，因而在将该喷嘴装置安装到所需要的设备上时，就需要分别对其进气部分和出气部分进行安装，而且，为保证较好的喷射效果，还需要对分别安装好的进气部分和出气部分进行对中校正、位置调整等操作。而在拆卸过程中，也需要将该喷嘴装置的进气部分和出气部分从上述设备上分别拆卸下来。因此，现有的喷嘴装置不仅不便于安装，而且也不便于拆卸。

其二，密封过程繁琐。为了使气体分配腔体内的气体不会经由喷嘴装置与半导体处理设备之间的缝隙而分散到半导体处理设备外，因而有必要在该喷嘴装置与半导体处理设备之间进行密封。然而，由于现有喷嘴装置的进气部分和出气部分需要分别地安装到半导体处理设备上，因而，就需要分别在进气部分和半导体处理设备之间、以及在出气部分和半导体处理设备之间进行密封。这使得密封过程较为繁琐，而且对密封要求也较高。

其三，由于现有技术提供的喷嘴装置的进气部分和出气部分为相互独立的分立部件，二者并不直接连接。因此，若要在二者之间形成容纳并分配气体的腔体，就需要借助于石英盖和/或反应腔室壁等部件，或者需要另外附设其他部件，以与出气部分共同构成气体分配腔体。因而在实际使用过程中，现有技术提供的喷嘴装置对外部部件(该装置之外的部件)的依赖性较大。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种喷嘴装置及应用该喷嘴装置的半导体处理设备。该喷嘴装置不仅便于拆装和密封，而且对外部部件的依赖性较小；相应地，该半导体处理设备也便于拆装和密封。同时，该喷嘴装置及半导体处理设备可以使进入反应腔室内的气体均匀地到达晶片等被加工/处理器件的表面，从而使被加工/处理器件表面的加工/处理速率均匀，进而可以获得良好的加工/处理结果。

为此，本发明提供了一种喷嘴装置，其包括用以引入流体的喷嘴进口部分和用以向外喷射流体的喷嘴出口部分，所述喷嘴出口部分具有带有喷射孔的喷射面。其中，所述喷嘴出口部分与所述喷嘴进口部分连接为一体，并且所述喷嘴出口部分包括与所述喷嘴进口部分相连的腔体，用以容纳来自所述喷嘴进口部分的流体，并将所述流体向所述喷射孔分配，由所述喷射孔将所述流体向外喷射。

其中，所述喷嘴进口部分和喷嘴出口部分通过一体成型的方式连接为一体。

其中，所述喷嘴进口部分和喷嘴出口部分通过这样的方式而连接为一体，即，分别单独成型，而后将二者密封地连接在一起。

其中，从所述喷射面的中央位置处到其边缘位置处均分布有所述喷射孔。

其中，所述喷射孔的形状为圆形和/或椭圆形和/或方形和/或多边形。

其中，所述喷射孔的孔径大小均一致。

其中，所述喷射孔的孔径大小不一致，优选地，所述喷射孔的孔径由所述喷射面的中央位置处向其边缘位置处逐渐增大。

其中，所述喷射孔的分布密度不一致，即，所述分布密度由所述喷射面的中央位置处向其边缘位置处逐渐增大。

其中，其特征在于，从所述喷射面的中央位置处到其边缘位置处，所述喷射孔的分布密度均一致。

此外，本发明还提供了一种半导体处理设备，其包括反应腔室以及本发明所提供的喷嘴装置。所述喷嘴装置用以向所述反应腔室内喷射流体。

其中，所述反应腔室内设置有静电夹持装置，被加工/处理的半导体器件置于所述静电夹持装置上，所述喷嘴装置与所述半导体器件相对设置。

其中，在所述反应腔室的上方设置有石英盖，所述喷嘴装置安装在所述石英盖上。

相对于现有技术，本发明提供的喷嘴装置以及应用该喷嘴装置的半导体处理设备具有下述有益效果：

其一，本发明提供的喷嘴装置的进口部分和出口部分连接为一体，并且出口部分包括与该喷嘴进口部分相连并用以容纳和分配来自喷嘴进口部分的流体的腔体，这样，就无需借助于该喷嘴装置之外的外部部件来构成上述腔体。因而，本发明提供的喷嘴装置对外部部件的依赖性较小。

其二，便于拆装。由于本发明提供的喷嘴装置的进口部分和出口部分连接为一体，因而在进行安装时，仅需要将其整体安装到诸如半导体处理设备等的设备上，而无需像现有技术那样需要将进口部分和出口部分分别进行安装，并在需要拆卸时分别进行拆卸。因此，本发明提供的喷嘴装置以及应用该喷嘴装置的半导体处理设备便于安装和拆卸。

其三，便于密封。由于本发明提供的喷嘴装置的进口部分和出口部分连接为一体，因而仅需要在该喷嘴装置与诸如半导体处理设备等的设备上的喷嘴装置安装孔之间进行密封即可，而无需像现有技术那样在多处进行密封。因此，本发明提供的喷嘴装置以及应用该喷嘴装置的半导体处理设备便于密封。

附图说明

图1为现有的半导体刻蚀设备的剖面结构示意图；

图2为现有技术一所提供的喷嘴装置的剖面结构示意图；

图3为现有技术二所提供的喷嘴装置的剖面结构示意图；

图4为现有技术三所提供的喷嘴装置的剖面结构示意图；

图5为采用组合式喷嘴装置的一种现有的半导体处理设备的剖视示意图；

图6为本发明所提供的喷嘴装置的剖面结构示意图；

图7为图6所示喷嘴装置的喷射孔的分布示意图；

图8为图6所示喷嘴装置的装配示意图；

图9A为本发明所提供的喷嘴装置的一个具体实例的主视图；

图9B为图9A所提供的喷嘴装置的立体图；

图10为本发明提供的安装有图6所示喷嘴装置的半导体刻蚀设备的剖面结构示意图。

具体实施方式

本发明提供的喷嘴装置以及应用该喷嘴装置的半导体处理设备的技术核心是，通过使该喷嘴装置的进口部分和出口部分连接为一体，并使出口部分包括与所述进口部分相连的腔体，而使得该喷嘴装置不仅便于拆装和密封，而且对外部部件的依赖性也较小；同时，也使得应用该喷嘴装置的半导体处理设备便于拆装和密封。此外，本发明提供的喷嘴装置以及应用该喷嘴装置的半导体处理设备可以使进入反应腔室内的气体均匀地到达晶片等被加工/处理器件的表面，从而使被加工/处理器件表面的加工/处理速率均匀，进而可以获得良好的加工/处理结果。

为使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的喷嘴装置进行详细描述。

请同时参阅图6和图7，本发明提供的喷嘴装置5包括位于该喷嘴装置上部的喷嘴进口部分51和位于喷嘴装置下部的喷嘴出口部分53。其中，喷嘴出口部分53与喷嘴进口部分51连接在一起，并且喷嘴出口部分53包括空腔部分54，该空腔部分54即构成气体分配腔体，用以容纳并分配来自喷嘴进口部分51的气体，这样，就无需借助于该喷嘴装置之外的外部部件来构成上述腔体。喷嘴出口部分53上设置有若干喷射孔52，通过这些喷射孔52可以将气体分配腔体内的气体喷射到被加工/处理的器件上，例如，晶片等半导体器件。通常，喷嘴出口部分53上设置有喷射孔52的表面称为喷射面。

至于如何将喷嘴进口部分51与喷嘴出口部分53连接在一起，例如可以采用这样的方式，即，在加工时将喷嘴进口部分51和喷嘴出口部分53一体加工成型，这样喷嘴进口部分51和喷嘴出口部分53便可连接固定在一起；或者，分别将喷嘴进口部分51和喷嘴出口部分53单独加工成型，而后将二者通过焊接等方式而密封地连接在一起。

从图7所示的喷嘴装置的仰视图可以看出，本发明提供的喷嘴装置的喷射面上分布有很多喷射孔52。这些喷射孔52具有这样的特点，即，在喷射面上靠近中央位置处的喷射孔52直径小且分布稀疏，靠近边缘的喷射孔52直径大且分布稠密。借助于喷射孔52的这种分布布局，可以使喷嘴出口部分53在其中央和边缘所喷出的气体趋于均匀，这样，喷射到反应腔室内的晶片等被加工/处理器件表面上的气体也就趋于均匀，从而使晶片等被加工/处理器件表面的加工/处理速率更加均匀，进而可以提高加工/处理结果的均一性。尤其是在对面积较大的晶片等被加工/处理器件进行加工时，例如对300mm的晶片进行刻蚀时，上述优点更加明显。

本发明提供的喷嘴装置的具体工作原理和过程为：反应气体通过喷嘴进气口进入到喷嘴装置内；然后流动到喷嘴出口部分的气体分配腔体中，并在该腔体中扩散流动，这样就可以使进入该腔体内的气体不会仅仅集中于中央位置处，而是在中央位置至边缘位置均可以分布(即，所谓的分配功能)；而后经由分布在喷嘴出口部分的任何喷射孔而喷入到反应腔室中。由于这些喷射孔在喷射面上自中央向边缘直径逐渐增大，且分布密度也逐渐增大，这样便使得喷射孔自中央到边缘所喷出的气体趋近均匀。由于该喷嘴装置可以将反应气体均匀地喷射到晶片等被加工/处理器件的表面，这样，该器件表面上分布的反应气体也就较为均匀，从而可以获得较为均匀的加工/处理速率。

请参阅图8，本发明提供的喷嘴装置5可以装配到图1所示的半导体刻蚀设备上。例如，在反应腔室的石英盖12的大致中央位置处开设有喷嘴装置安装孔，本发明提供的喷嘴装置5便装配到该安装孔内。由于本发明提供的喷嘴装置5的喷嘴出口部分面积较大，所以在装配时，先将密封圈74从喷嘴进口部分套在该喷嘴装置5上，而后从反应腔室内部将该喷嘴装置5安装到上述安装孔内，并借助于喷嘴固定块72来支撑和夹紧该喷嘴装置5。这样就完成了喷嘴装置5的装配过程。

由此可见，由于本发明提供的喷嘴装置的进口部分和出口部分连接为一体，因而在进行安装时，仅需要将其整体安装到诸如半导体处理设备等的设备上，而无需像现有技术那样需要将进口部分和出口部分分别进行安装，并在需要拆卸时分别进行拆卸。而且，在密封时，仅需要在该喷嘴装置与诸如半导体处理设备等的设备上的喷嘴装置安装孔之间进行密封即可，而无需像现有技术那样在多处进行密封。

请同时参阅图9A和图9B，其中示出了本发明提供的喷嘴装置的实际效果。

需要指出的是，本发明提供的喷嘴装置的喷射孔的形状可以不局限于前述实施例中所述的圆形，实际应用中，也可以为椭圆形、矩形、不规则多边形等形状，只要该喷嘴装置的喷嘴进口部分和喷嘴出口部分连接为一体，并且喷嘴出口部分具有较大面积，可以较为均匀地喷射气体即可。此外，本发明提供的喷嘴装置的喷射孔不仅可以设置在喷嘴装置的喷嘴出口部分的底面，而且也可以部分地设置在喷嘴装置的喷嘴出口部分的侧面。

尽管前述实施例中从中央到边缘处的喷射孔的孔径不一致，但是本发明提供的喷嘴装置并不局限于此，而是也可以使喷射孔的孔径一致。优选地是，使这些喷射孔这样布局，即，使靠近中央位置处的喷射孔分布得较为稀疏且孔径小，而随着喷射孔所在位置由中央向边缘过渡，其分布得逐渐稠密，并且孔径也逐渐增大。

进一步需要指出的是，尽管前述实施例中以气体为例对本发明提供的喷嘴装置进行了详细说明，但是本发明并不局限于此，换言之，本发明提供的喷嘴装置可以用于喷射气体、液体、粉尘等(在本发明中，上述可以被喷射的气体、液体、粉尘等统称为流体)。另外，本发明中所说的“喷射”并不对喷射时流体的压力和速度进行限制，也就是说，只要能够通过喷射孔来排放流体就视为本发明中所说的“喷射”。

此外，本发明还提供了一种应用本发明所提供的喷嘴装置的半导体处理设备。例如，图10就示出了这样一种半导体刻蚀设备。该半导体刻蚀设备的结构类似于图1所示的结构，不同之处在于图10所示半导体刻蚀设备安装有本发明所提供的喷嘴装置。具体地，将喷嘴装置5安装在石英盖12的大致中心位置处的喷嘴装置安装孔内，使该喷嘴装置5与静电卡盘17上的晶片等半导体器件19相对设置，以便向半导体器件19喷射流体。

至于该喷嘴装置5的结构以及与半导体刻蚀设备之间的装配方法，前面已经结合图6至图9B进行了详细说明，在此不再赘述。

可以理解的是，本发明提供的喷嘴装置也不仅仅用于半导体刻蚀设备，而是也可以应用于其他需要均匀地喷射上述流体的设备/装置中。

还可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种喷嘴装置，包括用以引入流体的喷嘴进口部分和用以向外喷射流体的喷嘴出口部分，所述喷嘴出口部分具有带有喷射孔的喷射面，其特征在于，所述喷嘴出口部分与所述喷嘴进口部分连接为一体，并且所述喷嘴出口部分包括与所述喷嘴进口部分相连的腔体，用以容纳来自所述喷嘴进口部分的流体，并将所述流体向所述喷射孔分配，由所述喷射孔将所述流体向外喷射。

2.根据权利要求1所述的喷嘴装置，其特征在于，所述喷嘴进口部分和喷嘴出口部分通过一体成型的方式连接为一体。

3.根据权利要求1所述的喷嘴装置，其特征在于，所述喷嘴进口部分和喷嘴出口部分通过这样的方式连接为一体，即，分别单独成型，而后将二者密封地连接在一起。

4.根据权利要求1所述的喷嘴装置，其特征在于，从所述喷射面的中央位置处到其边缘位置处均分布有所述喷射孔。

5.根据权利要求1所述的喷嘴装置，其特征在于，所述喷射孔的形状为圆形和/或椭圆形和/或方形和/或多边形。

6.根据权利要求1所述的喷嘴装置，其特征在于，所述喷射孔的孔径大小均一致。

7.根据权利要求1所述的喷嘴装置，其特征在于，所述喷射孔的孔径大小不一致。

8.根据权利要求7所述的喷嘴装置，其特征在于，所述喷射孔的孔径由所述喷射面的中央位置处向其边缘位置处逐渐增大。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的喷嘴装置，其特征在于，所述喷射孔的分布密度不一致，即，所述分布密度由所述喷射面的中央位置处向其边缘位置处逐渐增大。

10.根据权利要求1至8中任意一项所述的喷嘴装置，其特征在于，从所述喷射面的中央位置处到其边缘位置处，所述喷射孔的分布密度均一致。

11一种半导体处理设备，包括反应腔室，其特征在于，还包括如权利要求1至10中任意一项所述的喷嘴装置，用以向所述反应腔室内喷射流体。

12.根据权利要求11所述的半导体处理设备，其特征在于，在所述反应腔室内设置有静电夹持装置，被加工/处理的半导体器件置于所述静电夹持装置上，所述喷嘴装置与所述半导体器件相对设置。

13.根据权利要求11或12所述的半导体处理设备，其特征在于，在所述反应腔室的上方设置有石英盖，所述喷嘴装置安装在所述石英盖上。

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